五軸機(jī)床動(dòng)態(tài)精度的好壞直接影響航空零件的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，通過研發(fā)五軸動(dòng)態(tài)精度的快速檢測(cè)方案，以方法和成本實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床精度的快速檢測(cè)驗(yàn)證，達(dá)到實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)、高效生產(chǎn)的目的。
五軸機(jī)床為多軸高精密數(shù)控設(shè)備，當(dāng)前已大量運(yùn)用于航空航天、風(fēng)電和核電等制造領(lǐng)域，由于機(jī)床結(jié)構(gòu)復(fù)雜且機(jī)械精度要求高五軸機(jī)床的動(dòng)態(tài)精度檢測(cè)和調(diào)整一直是業(yè)內(nèi)討論的熱點(diǎn)，并成為直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的重要因素之一。常規(guī)的五軸精度檢測(cè)分為機(jī)械靜態(tài)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)。靜態(tài)檢測(cè)主要是對(duì)機(jī)床的幾何和位置精度的測(cè)繪，主要測(cè)量項(xiàng)點(diǎn)是機(jī)床空載情況下基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)軸相互的垂直度、直線度、平面度、圓跳動(dòng)、重復(fù)定位和反向間隙等運(yùn)動(dòng)精度（見圖１）。實(shí)踐中運(yùn)用水平儀、大理石方箱、千分表和標(biāo)準(zhǔn)棒等工具對(duì)機(jī)床主要運(yùn)動(dòng)部件的單一運(yùn)動(dòng)精度進(jìn)行檢測(cè)，其反映了機(jī)床在未承受任何切削載荷狀態(tài)下各運(yùn)動(dòng)部件獨(dú)立的狀態(tài)表現(xiàn)。動(dòng)態(tài)檢測(cè)是機(jī)床在運(yùn)行過程中各主要運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的綜合精度表現(xiàn)，通過動(dòng)態(tài)檢測(cè)可以直接驗(yàn)證五軸機(jī)床各運(yùn)動(dòng)部件將靜態(tài)精度轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)后的機(jī)械精度狀態(tài)，這種狀態(tài)最貼近于實(shí)際生產(chǎn)中五軸機(jī)床反映出來的綜合機(jī)械性能也是影響產(chǎn)品質(zhì)量和效率的重要因素。
圖1 五軸聯(lián)動(dòng)加工中心
1.研發(fā)五軸快速動(dòng)態(tài)檢測(cè)的背景傳統(tǒng)的五軸動(dòng)態(tài)檢測(cè)手段都是依靠紅外線激光設(shè)備（見圖２）對(duì)機(jī)床的單一運(yùn)動(dòng)軸進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，檢測(cè)前清除各運(yùn)動(dòng)軸的實(shí)際補(bǔ)償值再通過機(jī)床重復(fù)定位運(yùn)動(dòng)對(duì)各軸進(jìn)行分段變速檢測(cè)，在ｔｎｃ控制系統(tǒng)下可以將被測(cè)數(shù)據(jù)在線輸入機(jī)床控制系統(tǒng)并自動(dòng)生成補(bǔ)償代碼值進(jìn)行機(jī)械間隙補(bǔ)償。但此檢測(cè)手段成本高、用時(shí)長(zhǎng)，且無法偵測(cè)機(jī)械結(jié)構(gòu)在負(fù)載狀態(tài)下的綜合運(yùn)動(dòng)精度，因此如何快速檢測(cè)五軸動(dòng)態(tài)精度將現(xiàn)有五軸設(shè)備生產(chǎn)力釋放，成為各航空制造企業(yè)的重要難題之一。
圖２ 傳統(tǒng)五軸動(dòng)態(tài)檢測(cè)手段
2.五軸快速檢測(cè)方案細(xì)解在競(jìng)爭(zhēng)激烈的航空制造市場(chǎng)的推動(dòng)下，利用五軸機(jī)床固有的補(bǔ)償功能配合精度球、千分表、宏程序和橢圓試塊可實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的五軸動(dòng)態(tài)檢測(cè)。功能為的簡(jiǎn)稱，又具自動(dòng)補(bǔ)償功能，原理是通過控制系統(tǒng)對(duì)五軸旋轉(zhuǎn)點(diǎn)到裝刀點(diǎn)的距離＋實(shí)際的刀具長(zhǎng)度（見圖３）進(jìn)行多角度空間數(shù)學(xué)運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)將編程控制點(diǎn)轉(zhuǎn)化為實(shí)際刀具切削接觸點(diǎn)的過程。
圖３?。颍簦悖鹪硎疽鈭D五軸機(jī)床必須依據(jù)ｒｔｃｐ功能才能正確地進(jìn)行多軸聯(lián)動(dòng)切削運(yùn)動(dòng)，假設(shè)忽略機(jī)械硬件的誤差問題五軸機(jī)床的實(shí)際運(yùn)行軌跡和計(jì)算機(jī)編程（ｃａｍ）的ｎｃ代碼軌跡*一致，所以將功能納入檢測(cè)方案中目的就是動(dòng)態(tài)檢測(cè)時(shí)能*準(zhǔn)確地追蹤五軸聯(lián)動(dòng)時(shí)機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的理論軌跡，精準(zhǔn)快速地達(dá)到檢測(cè)目的。具體實(shí)施方案如下：1） 調(diào)整五軸機(jī)床靜態(tài)精度（靜態(tài)精度為動(dòng)態(tài)精度的基礎(chǔ)），此項(xiàng)調(diào)整周期用時(shí)很長(zhǎng)通常在年度二級(jí)保養(yǎng)時(shí)已測(cè)繪補(bǔ)償?shù)轿?，在?dòng)態(tài)檢測(cè)前只需對(duì)主軸圓跳動(dòng)、ｘ／ｙ／ｚ／ａ／ｃ軸的反向間隙和ｃ軸極限回轉(zhuǎn)誤差用百分表進(jìn)行復(fù)測(cè)不再運(yùn)用激光進(jìn)行精度調(diào)整。2）定制 φ ８０ｍｍｒ４０ｍｍ的測(cè)量球（見圖４），要求球形直徑和圓度公差≤０.００５ｍｍ，表面粗糙度值ｒａ＜０.８μｍ，鏡面，避免硬件誤差對(duì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)結(jié)果的影響。
圖4 測(cè)量球3）利用精度標(biāo)準(zhǔn)棒校對(duì)五軸頭固定旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償值（見圖５），此數(shù)值在機(jī)床出廠時(shí)已經(jīng)測(cè)繪輸入?yún)?shù)表，由于機(jī)床在長(zhǎng)時(shí)間使用和維修過程中可能會(huì)造成補(bǔ)償值的變化，所以校對(duì)其值的正確性是必須的。
圖5 校對(duì)五軸頭固定旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償值
如圖５所示以標(biāo)準(zhǔn)棒中心設(shè)立坐標(biāo)系，將千分表按圖放置，以標(biāo)準(zhǔn)棒外徑壓表０.１ｍｍ～后刻度歸零（壓表過程中注意排除ｘ軸機(jī)械間隙）；手動(dòng)移動(dòng)ｘ軸至安全位置，如圖所示旋轉(zhuǎn)ａ軸至90度后再將主軸端面壓表對(duì)零這時(shí)ｘ軸在設(shè)定坐標(biāo)系中的位移值即為實(shí)測(cè)值；計(jì)算五軸頭補(bǔ)＝實(shí)測(cè)值－標(biāo)準(zhǔn)刀長(zhǎng)（150ｍｍ）－標(biāo)準(zhǔn)棒半徑（25ｍｍ）。注意：在頭補(bǔ)復(fù)測(cè)時(shí)應(yīng)全程取消五軸刀具補(bǔ)償功能。
圖6 五軸頭補(bǔ)測(cè)量示意
4）實(shí)施ｒｔｃｐ動(dòng)態(tài)檢測(cè)，首先設(shè)置動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，如圖７所示要使千分表在固定不動(dòng)的情況下表頭接觸點(diǎn)在 φ ８０ｍｍｒ４０ｍｍ半球外形上弧線運(yùn)動(dòng)，只能選擇旋轉(zhuǎn)點(diǎn)作為運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系原點(diǎn)因此先手動(dòng)找到ｂ點(diǎn)后再偏置至ａ點(diǎn)設(shè)立檢測(cè)坐標(biāo)系。
圖7 設(shè)立檢測(cè)坐標(biāo)系
參照?qǐng)D７將刀具實(shí)際補(bǔ)償值減短一個(gè)球頭半徑值（４０ｍｍ）作為檢測(cè)程序運(yùn)行時(shí)刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償（ｄ０１）值，運(yùn)行檢測(cè)宏程序?qū)ξ遢S機(jī)床的動(dòng)態(tài)精度進(jìn)行多角度多軸聯(lián)動(dòng)檢測(cè)（見圖８）宏程序如下。n1 #1=90n2 #2=45n3 trofoofn4 m06 t01 d01n5 g0 a0 c0n6 traotin7 g90 g54 g01 z100 f5000n8 x0 y0n9 z0n10 m01n11 g01 a=#1 f1000n12 a=-#1n13 a0n14 m01n15 c=#1n16 a=#1 f1000n17 a=-#1n18 a0n19 m01n20 c=-#1n21 a=#1 f1000n22 a=-#1n23 a0n24 c0n25 m01n26 c=#2n27 g01 a=#1 f1000n28 a=-#1n29 a0n30 m01n31 c=-#2n32 a=#1 f1000n33 a=-#1n34 a0n35 m01……
圖8 五軸機(jī)床動(dòng)態(tài)精度檢測(cè)5）對(duì)五軸動(dòng)態(tài)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，通過對(duì)比分析動(dòng)態(tài)檢測(cè)結(jié)果和試切件三坐標(biāo)計(jì)量結(jié)果，誤差重合率達(dá)96%～98%以上，實(shí)踐驗(yàn)證五軸動(dòng)態(tài)檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可行性。
3. 結(jié)語本文基于航空制造特點(diǎn)，針對(duì)產(chǎn)能大與五軸機(jī)床維修率逐年增高的實(shí)際情況，研發(fā)了五軸動(dòng)態(tài)精度檢測(cè)手段，依靠快速動(dòng)態(tài)檢測(cè)大大提高五軸精度檢測(cè)的效率并降低了檢測(cè)成本，為機(jī)床的調(diào)整及維修提供了可靠的數(shù)字依據(jù)。此檢測(cè)手段已被列入周/月度保養(yǎng)范疇，并在加工關(guān)重件前進(jìn)行實(shí)施檢測(cè)，成為確保航空產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段之一。本文發(fā)表于《金屬加工（冷加工）》2019年第11期4-5頁(yè)，作者：宜賓市普什航空事業(yè)部 周凱，原標(biāo)題：《五軸機(jī)床動(dòng)態(tài)精度的快速檢測(cè)方案》。